太赫兹传输的胜利：工程师在曾经无法接入的频段，获得每秒100G数据传输速率

来源：悦智网

作者：Lily Hay Newman

无线电频谱3~3000兆赫之间存在的问题是：太拥挤了。电视、广播、手机、蓝牙、GPS、双向通信设备以及Wi-Fi都是在这个高频至超高频的范围内工作的。因此，由于没有别的选择，研究人员花费了几十年的时间来研究对3~3000千兆赫范围内频段的利用。一个研究小组曾报告了一个鼓舞人心的发现，即一项每秒100G的无线数据传输纪录。

德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、弗劳恩霍夫应用固体物理研究所和斯图加特大学的科学家们在相距20米的一台发射器和一台接收器之间搭建了一个频率为237.5千兆赫的无线连接。这一频率处于频谱的毫米波部分，并且非常接近太赫兹的范围（通常被定义为始于300千兆赫）。太赫兹区域有很大的潜力，因为它的辐射是非电离的，但可以穿透衣物，从而使先进的炸弹检测和身体扫描等成为可能。

太赫兹和亚太赫兹频率作为高速数据传输的解决方案也已被研究了数十年，特别是用于铺设光纤网络困难昂贵的农村或偏远地区。

KIT的光子学研究工程师斯文•孔尼格（Swen König）表示：“对于我们来说，最令人兴奋的事情是在这个载波频率里以这种高数据速率进行无线通信，而之前没人能做到这一点。而这只是电信在这个频率中发展的开始。”

为了达到如此高的数据速率，研究人员搭建了一个实验系统，将尖端的电子和光子技术结合了起来。他们决定在发射器的设置中添加光子元素，而不是只使用电子，因为光子可以使用更大的带宽和动态范围。但不足之处是，这个光子方案降低了发射器的输出功率。

该小组使用了一种叫做光子混频器的设备，它结合两束不同频率的激光并把它们引导到光电二极管。一束激光被调制为携带数据，另一束则不携带。将激光照射到光电二极管上就产生了一个电信号，其频率等于两束激光的频率之差，即237.5千兆赫。然后，该信号由一个喇叭形的天线发射出去。

在接收器端，该小组使用了一个由高电子迁移率晶体管组成的定制集成电路，这种化合物半导体设备可以在毫米波频率下运行。这种仅几平方毫米的芯片是将太赫兹接收技术引入智能手机和平板电脑的一大进步。芯片增强了入射辐射，并将它与另一频率混合起来以提取传输的数据。

新泽西技术研究所的物理学教授、研究太赫兹技术的约翰•费德里西（John Federici）对该项研究印象深刻。他说，20米的传输距离是有限的，但这对于那些还在梦想着进行太赫兹数据传输的研究项目来说已经足够了。他说，“有些人在谈论一种向移动用户进行高数据速率传输的数据亭。他们会到数据亭那里以非常高的数据传输速率下载视频或其他东西，然后离开。”不过，费德里西告诫人们不要过度推广这一想法，他表示，太赫兹和近太赫兹频率在大气中或在家中的墙壁间的传播是不可靠的。

与使用激光在空气中进行数据传输的自由空间光传输相比，这个德国小组发现的亚太赫兹传输具备一个很有前途的特点：这种类型的辐射受到当地雨或雾等条件的影响较小。但L-3 Communications公司的副总裁、太赫兹专家卡特•阿姆斯特朗（Carter Armstrong）指出，研究人员并没有在这些恶劣条件中实际测试他们的设计。他说：“他们说在自由空间的毫米波上的太赫兹传输受到雨和雾的影响较少。”因此他们应该“通过操作这个系统来进行演示”。

KIT的孔尼格同意，那些能够让用户在发射器和接收器之间具有清晰视线的应用是有前途的。但他也表示，研究小组有信心将该技术进行扩展，使传输距离达到几百米。他们曾经打破过长距离的纪录，利用纯电子系统在240千兆赫上、以每秒40G的速度传输了一公里以上的距离。光电二极管的输出功率是这次实验的限制因素，但新的研究一直在进行，比如在光电二极管后面增加一个放大器来增强信号。

更广泛地说，各个研究机构都一直在对实验装置的多个部件进行开发。孔尼格表示：“这是许多不同的合作伙伴和技术的协作。令人欣慰的是，所有这些理念都是行之有效的。”